C++ auto（类型推导）精讲

资料来源：网络整理时间：2023/2/17 15:35:26 共计：3618 浏览

C++11 引入了 auto 和 decltype 关键字实现类型推导，通过这两个关键字不仅能方便地获取复杂的类型，而且还能简化书写，提高编码效率。本节我们先讲解 auto 关键字，下节再讲解 decltype 关键字。

auto 关键字的新意义

用过 C# 的读者可能知道，从 Visual C#3.0 开始，在方法范围中声明的变量可以具有隐式类型 var。例如，下面这样的写法（C#代码）：

var i = 10; // 隐式（implicitly）类型定义
int i = 10; // 显式（explicitly）类型定义

其中，隐式的类型定义也是强类型定义，前一行的隐式类型定义写法和后一行的显式写法是等价的。

不同于 Python 等动态类型语言的运行时变量类型推导，隐式类型定义的类型推导发生在编译期。它的作用是让编译器自动推断出这个变量的类型，而不需要显式指定类型。

现在，C++11中也拥有了类似的功能：auto 类型推导。其写法与上述 C# 代码等价：

auto i = 10;

是不是和 C# 的隐式类型定义很像呢？

下面看下 auto 的一些基本用法：

auto x = 5;                 // OK: x是int类型
auto pi = new auto(1);      // OK: pi被推导为int*
const auto *v = &x, u = 6;  // OK: v是const int*类型，u是const int类型
static auto y = 0.0;        // OK: y是double类型
auto int r;                 // error: auto不再表示存储类型指示符
auto s;                     // error: auto无法推导出s的类型

在上面的代码示例中：

字面量 5 是一个 const int 类型，变量 x 将被推导为 int 类型（const被丢弃，后面说明），并被初始化为 5。
pi 的推导说明 auto 还可以用于 new 操作符。在例子中，new 操作符后面的 auto(1) 被推导为 int(1)，因此 pi 的类型是 int*。
接着，由 &x 的类型为 int*，推导出 const auto* 中的 auto 应该是 int，于是 v 被推导为 const int*，而 u 则被推导为 const int。
最后 y、r、s 的推导过程比较简单，就不展开讲解了。读者可自行在支持 C++11 的编译器上实验。

v 和 u 的推导需要注意两点：

虽然经过前面 const auto*v=&x 的推导，auto 的类型可以确定为 int 了，但是 u 仍然必须要写后面的=6，否则编译器不予通过。
u 的初始化不能使编译器推导产生二义性。例如，把 u 的初始化改成u=6.0，编译器将会报错：
const auto *v = &x, u = 6.0;
error: inconsistent deduction for 'const auto': 'int' and then 'double'

由上面的例子可以看出来，auto 并不能代表一个实际的类型声明（如 s 的编译错误），只是一个类型声明的“占位符”。使用 auto 声明的变量必须马上初始化，以让编译器推断出它的实际类型，并在编译时将 auto 占位符替换为真正的类型。

细心的读者可能会发现，auto 关键字其实并不是一个全新的关键字。在旧标准中，它代表“具有自动存储期的局部变量”，不过其实它在这方面的作用不大，比如：

auto int i = 0; // C++98/03，可以默认写成 int i = 0;
static int j = 0;

上述代码中的 auto int 是旧标准中 auto 的使用方法。与之相对的是下面的 static int，它代表了静态类型的定义方法。

实际上，我们很少有机会这样直接使用 auto，因为非 static 的局部变量默认就是“具有自动存储期的”。

考虑到 auto 在 C++ 中使用的较少，在 C++11 标准中，auto 关键字不再表示存储类型指示符（storage-class-specifiers，例如 static、register、mutable 等），而是改成了一个类型指示符（type-specifier），用来提示编译器对此类型的变量做类型的自动推导。

auto 的推导规则

从上面的示例中可以看到 auto 的一些使用方法。它可以同指针、引用结合起来使用，还可以带上 cv 限定符（cv-qualifier，const 和 volatile 限定符的统称）。

再来看一组例子：

int x = 0;
auto * a = &x;      // a -> int*，auto被推导为int
auto   b = &x;      // b -> int*，auto被推导为int*
auto & c = x;       // c -> int&，auto被推导为int
auto   d = c;       // d -> int ，auto被推导为int
const auto e = x;   // e -> const int
auto f = e;         // f -> int
const auto& g = x;  // e -> const int&
auto& h = g;        // f -> const int&

由上面的例子可以看出：

a 和 c 的推导结果是很显然的，auto 在编译时被替换为 int，因此 a 和 c 分别被推导为 int* 和 int&。
b 的推导结果说明，其实 auto 不声明为指针，也可以推导出指针类型。
d 的推导结果说明当表达式是一个引用类型时，auto 会把引用类型抛弃，直接推导成原始类型 int。
e 的推导结果说明，const auto 会在编译时被替换为 const int。
f 的推导结果说明，当表达式带有 const（实际上 volatile 也会得到同样的结果）属性时，auto 会把 const 属性抛弃掉，推导成 non-const 类型 int。
g、h 的推导说明，当 auto 和引用（换成指针在这里也将得到同样的结果）结合时，auto 的推导将保留表达式的 const 属性。

通过上面的一系列示例，可以得到下面这两条规则：

当不声明为指针或引用时，auto 的推导结果和初始化表达式抛弃引用和 cv 限定符后类型一致。
当声明为指针或引用时，auto 的推导结果将保持初始化表达式的 cv 属性。

看到这里，对函数模板自动推导规则比较熟悉的读者可能会发现，auto 的推导和函数模板参数的自动推导有相似之处。比如上面例子中的 auto，和下面的模板参数自动推导出来的类型是一致的：

template <typename T> void func(T   x) {}        // T   -> auto
template <typename T> void func(T * x) {}        // T * -> auto *
template <typename T> void func(T & x) {}        // T & -> auto &
template <typename T> void func(const T   x) {}  // const T   -> const auto
template <typename T> void func(const T * x) {}  // const T * -> const auto *
template <typename T> void func(const T & x) {}  // const T & -> const auto &

注意：auto 是不能用于函数参数的。上面的示例代码只是单纯比较函数模板参数推导和 auto 推导规则的相似处。

因此，在熟悉 auto 推导规则时，可以借助函数模板的参数自动推导规则来帮助和加强理解。

auto 的限制

上面提到了 auto 是不能用于函数参数的。那么除了这个之外，还有哪些限制呢？

我们通过下面的代码来演示一下 auto 的限制：

void func(auto a = 1) {}          // error: auto不能用于函数参数
struct Foo
{
    auto var1_ = 0;               // error: auto不能用于非静态成员变量
    static const auto var2_ = 0;  // OK: var2_ -> static const int
};
template <typename T>
struct Bar {};

int main(void)
{
    int arr[10] = {0};
    auto aa     = arr;   // OK: aa -> int *
    auto rr[10] = arr;   // error: auto无法定义数组
    Bar<int> bar;
    Bar<auto> bb = bar;  // error: auto无法推导出模板参数
    return 0;
}

在 Foo 中，auto 仅能用于推导 static const 的整型或者枚举成员（因为其他静态类型在 C++ 标准中无法就地初始化），虽然 C++11 中可以接受非静态成员变量的就地初始化，但却不支持 auto 类型非静态成员变量的初始化。

在 main 函数中，auto 定义的数组 rr 和 Bar<auto>bb 都是无法通过编译的。

注意　main 函数中的 aa 不会被推导为 int[10]，而是被推导为 int*。这个结果可以通过 auto 与函数模板参数自动推导的对比来理解。

什么时候用 auto

前面说了这么多，最重要的是，应该在什么时候使用 auto 呢？

在 C++11 之前，定义了一个 stl 容器以后，在遍历的时候常常会写这样的代码：

#include <map>
int main(void)
{
    std::map<double, double> resultMap;
    // ...
    std::map<double,double>::iterator it = resultMap.begin();
    for(; it != resultMap.end(); ++it)
    {
        // do something
    }
    return 0;
}

观察上面的迭代器（iterator）变量it的定义过程，总感觉有点憋屈。其实通过 resultMap.begin()，已经能够知道 it 的具体类型了，却非要书写上长长的类型定义才能通过编译。

来看看使用了 auto 以后的写法：

#include <map>
int main(void)
{
    std::map<double, double> resultMap;
    // ...
    for(auto it = resultMap.begin(); it != resultMap.end(); ++it)
    {
        // do something
    }
    return 0;
}

再次观察 it 的定义过程，是不是感到清爽了很多？

再看一个例子，在一个 unordered_multimap 中查找一个范围，代码如下：

#include <map>
int main(void)
{
    std::unordered_multimap<int, int> resultMap;
    // ...
    std::pair< std::unordered_multimap<int,int>::iterator, std::unordered_multimap<int, int>::iterator > range = resultMap.equal_range(key);
    return 0;
}

这个 equal_range 返回的类型声明显得烦琐而冗长，而且实际上并不关心这里的具体类型（大概知道是一个 std::pair 就够了）。这时，通过 auto 就能极大的简化书写，省去推导具体类型的过程：

#include <map>
int main(void)
{
    std::unordered_multimap<int, int> map;
    // ...
    auto range = map.equal_range(key);
    return 0;
}

另外，在很多情况下我们是无法知道变量应该被定义成什么类型的，比如下面的例子。

【实例】auto 简化函数定义的示例。

class Foo
{
    public:
    static int get(void)
    {
        return 0;
    }
};
class Bar
{
    public:
    static const char* get(void)
    {
        return "0";
    }
};
template <class A>
void func(void)
{
    auto val = A::get();
    // ...
}
int main(void)
{
    func<Foo>();
    func<Bar>();
    return 0;
}

在这个例子里，我们希望定义一个泛型函数 func，对所有具有静态 get 方法的类型 A，在得到 get 的结果后做统一的后续处理。若不使用 auto，就不得不对 func 再增加一个模板参数，并在外部调用时手动指定 get 的返回值类型。

上面给出的各种示例仅仅只是实际应用中很少的一部分，但也足以说明 auto 关键字的各种常规使用方法。更多的适用场景，希望读者能够在实际的编程中亲身体验。

注意　auto 是一个很强大的工具，但任何工具都有它的两面性。不加选择地随意使用 auto，会带来代码可读性和维护性的严重下降。因此，在使用 auto 的时候，一定要权衡好它带来的“价值”和相应的“损失”。

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